Die Erfindung betrifft ein Material sowie ein Verfahren zum Abdichten von Hohlräumen.
Es ist häufig erforderlich, Hohlräume zwischen Bauteilen zu überbrücken, eine zuverlässige mechanische Halterung zwischen denselben zu erreichen sowie diese gegeneinander abzudichten. Dies kann besonders problematisch sein, wenn die Bauteile aus Werkstoffen mit voneinander verschiedenen Eigenschaften ausgebildet sind, insbesondere mit unterschiedlichem Temperaturverhalten. Beispielsweise ist das Temperaturverhalten von keramischen Werkstoffen gegenüber metallischen Werkstoffen extrem unterschiedlich. Das Temperaturverhalten, d. h. das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen wird Üblicherweise durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder Wärmeausdehnungskoeffizienten beschrieben.
Das Problem der Abdichtung von Bauteilen aus keramischen Werkstoffen gegenüber Bauteilen aus metallischen Werkstoffen tritt beispielsweise in Hochtemperaturreaktoren auf. In derartigen Reaktoren sind häufig Katalysatorschüttungen in metallischen Körben gelagert, die gegen ein tragendes Bauteil, insbesondere die Reaktorwand, abgedichtet werden müssen. In Hochtemperaturreaktoren werden häufig auch keramische Einbauten, wie Monolithe eingesetzt. Die Reaktorquerschnitte können rund oder polygonal sein. Die in Körben gelagerten Katalysatorschüttungen bzw. die Monolithe müssen zur Reaktorwand hin abgedichtet werden.
Hierfür haben sich sogenannte Blähmatten, das heißt flächige Einlagen, bewährt, die bei Temperaturerhöhungen expandieren (aufquellen). Blähmatten sind in der Regel aus Silikaten, z. B. Aluminiumsilikat, einem Blähglimmer, z. B. Vermiculit, und einem organischen Bindemittel zusammengesetzt.
Blähmatten werden z. B. von der Firma 3M unter der Markenbezeichnung INTERAM® vertrieben.
Die Volumenvergrößerung der bekannten Blähmatten durch die Temperaturerhöhung im konkreten Anwendungsbereich führt jedoch häufig nur zu einer nicht ausreichenden Abdichtung. Insbesondere kann allein dadurch keine für eine ausreichende Haltekraft erforderliche Verspannung erreicht werden.
Aus
Es war die Aufgabe der Erfindung, ein Material zur Verfügung zu stellen, das geeignet ist, Hohlräume zwischen Bauteilen, auch aus Werkstoffen mit extrem unterschiedlichem Temperaturverhalten, zuverlässig abzudichten und eine zuverlässige mechanische Halterung zu gewährleisten, das die obigen Nachteile nicht aufweist, und das einen einfachen Einbau oder Zusammenbau von Bauteilen ohne Vorspannung, mit zuverlässiger Halterung, ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Material zum Abdichten von Hohlräumen zwischen zwei Bauteilen mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruchs 1. Das erfindungsgemäße Material enthält eine Blähmatte, wobei die Blähmatte allseitig in eine Kunststofffolie eingeschweißt ist, und wobei der durch die Kunststofffolie begrenzte und die Blähmatte enthaltende Innenraum vakuumiert ist.
Insbesondere sind die zwei Bauteile aus Werkstoffen mit unterschiedlichem Temperaturverhalten oder aus demselben Werkstoff gebildet, jedoch voneinander verschiedene Temperaturen aufweisen.
Durch die Vakuumierung des die Blähmatte enthaltenden Innenraumes wird dieselbe gegenüber ihrer ursprünglichen Dicke in der Regel um über 50 % zusammengedrückt, wobei die ursprüngliche Länge und Breite der Blähmatte unverändert bleiben. In der vakuumierten Blähmatte verbleibt nach Eindrücken mit dem Finger praktisch keine Vertiefung.
Blähmatten sind flächenförmige Gebilde mit einer Dicke im Bereich von ca. 3 bis 20 mm, bevorzugt in einem Bereich von ca. 5 bis 10 mm.
Breite und Länge der Blähmatten sind fertigungstechnisch bedingt, und liegen jeweils in einem Bereich von ca. 0,5 bis 5 m. Ein typisches Maß für Blähmatten beträgt 1,20 m x 4 m.
Blähmatten sind in der Regel aus Silikaten, vorzugsweise in Faserform, z. B. Aluminiumsilikat, einem Blähglimmer, d. h. einem Material, das bei Temperaturerhöhung expandiert, z. B. dem nicht-toxischen Vermiculit, und einem organischen Bindemittel zusammengesetzt. Blähmatten werden beispielsweise von der Firma 3M unter der Markenbezeichnung INTERAM® vertrieben.
Die organischen Bindemittel haben jedoch eine Reihe von nachteiligen Eigenschaften, insbesondere führen sie zur Geruchsbelästigung durch Ausdampfen flüchtiger Anteile, sowie zur Vergiftung von Katalysatoren. Zunehmend werden daher Blähmatten mit einem niedrigeren Gehalt an organischen Bindemitteln, von früher ca. 12 bis 14 Gew.-%, auf nunmehr ca. 2 bis 5 Gew.-%, insbesondere 3 bis 4 Gew.-% organisches Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Blähmatte, gefordert. Durch den niedrigeren Gehalt an organischem Bindemittel werden die Blähmatten jedoch krümeliger, weniger gut plastisch verformbar und schlechter handhabbar.
Das organische Bindemittel kann in einem Anteil von 2 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Blähmatte, enthalten sein, jedoch bevorzugt in einem Anteil von 2 bis 8 Gew.-%, besonders bevorzugt von 3 bis 4 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Blähmatte.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das organische Bindemittel in Form von organischen Polymerfasern vor, insbesondere in Form von organischen Polymerfasern mit zwei oder mehreren Schmelzbereichen.
Blähmatten enthaltend Silikatfasern, einen Blähglimmer und organische Polymerfasern sind besonders vorteilhaft, das sie federnde Eigenschaften aufweisen, und damit eine ausgezeichnete Abdichtung durch Verspannung zwischen den Bauteilen, zwischen denen Hohlräume zu überbrücken sind, gewährleisten:
Besonders vorteilhaft sind organische Polymerfasern mit zwei oder mehreren Schmelzbereichen: eine erste Fraktion von organische Polymerfasern, mit einem niedrigeren Schmelzbereich, z. B. etwa um 500°C, bildet zunächst eine Grobstruktur durch Vernetzen eines Teils der Silikatfasern aus; bei weiterer Temperaturerhöhung, auf z.B. etwa 700 bis 800 °C schmilzt eine weitere Fraktion von organischen Polymerfasern, und vernetzt weitere Silikatfasern, so dass weiter Spannung aufgebracht wird. Dadurch kann die jeweils erforderliche Verspannung zwischen den zu verbindenden Bauteilen gewährleistet werden.
Bevorzugt ist der Anteil der organischen Polymerfasern in der Blähmatte von 2 bis 8 Gew.-%, besonders bevorzugt von 3 bis 4 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Blähmatte.
Indem die Blähmatten erfindungsgemäß allseitig mit einer Kunststofffolie umhüllt werden, werden diese Nachteile jedoch behoben und auch Matten mit den geforderten niedrigeren Bindemittelhalten können in einfacher Weise gehandhabt und in die Hohlräume, unter Ausfüllung derselben, eingebracht werden.
Erfindungsgemäß werden die Blähmatten allseitig in eine Folie aus einem Kunststoff eingehüllt, der insbesondere aus einem oder mehreren Polyamiden, bevorzugt aus einer Mischung aus Polyamiden mit Polyethylen und/oder Polypropylen, gebildet ist.
Zum Umhüllen der Matte wird bevorzugt eine Kunststofffolie eingesetzt, deren eine Seite eine strukturierte, nicht vollkommen glatte Oberfläche aufweist; die Matte wird mit der Kunststofffolie dergestalt umhüllt, dass deren strukturierte Seite zur Matte hin gerichtet ist. Dadurch wird das Vakuumziehen erleichtert, da sich zwischen den einander gegenüberliegenden strukturierten Innenseiten der Kunststofffolie durch die feinen Oberflächenstrukturen, die sich gegenseitig abstützen, Hohlräume bilden, durch die die Luft abgesaugt werden kann. Vollkommen plane Flächen würden dagegen aneinander kleben und das Vakuumieren des Innenraumes erschweren.
Nachdem die Blähmatte in die Kunststofffolie eingehüllt ist, wird der von der Kunststofffolie umschlossene und die Blähmatte enthaltende Innenraum vakuumiert.
Insbesondere wird der die Blähmatte enthaltende und von der Kunststofffolie umschlossene Innenraum auf ein Vakuum von kleiner oder gleich 60 mbar gebracht.
Durch das Entvakuumieren dehnt sich die Blähmatte bis auf das Doppelte ihrer Dicke im vakuumiertem Zustand aus. Dadurch ist es möglich, die für den Zusammenbau vorgesehenen Bauteile lose, mit Spiel, ohne Aufbringung von Kräften, zusammenzusetzen, wobei dennoch gewährleistet ist, dass die sich beim Entvakuumieren ausdehnende Blähmatte die Bauteile sicher fixiert.
Der die Blähmatte enthaltende Innenraum kann in einfacher Weise entvakuumiert werden, indem die Kunststofffolie angestochen oder angeschnitten wird.
Zusätzlich oder alternativ kann der von der Kunststofffolie umschlossene und die Blähmatte enthaltende Innenraum entvakuumiert werden, indem die Blähmatte einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, bei der die Kunststofffolie verbrennt.
Die einzelnen, vakuumierten Blähmatten werden mit rechteckigem Stufenfalz bzw. in rechteckigem Nut-Feder-System aneinandergereiht, so dass die Dichtigkeit der Verbindung gewährleistet ist.
Es ist auch möglich zwei oder mehrere Blähmatten übereinander zu legen und dieses Paket anschließend in eine Kunststofffolie zu hüllen und zu vakuumieren. Dadurch kann ein einfacherer Einbau zum Ausfüllen größerer Hohlräume erreicht werden.
Die Blähmatten können an der Stirnseite derselben verstärkt sein, so dass der Abrieb derselben verringert oder verhindert wird.
Erfindungsgemäß wird ein mehrlagiges Verbundmaterial zur Verfügung gestellt, umfassend zwei oder mehrere Blähmatten, mit Zwischenlagen zwischen jeweils zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Blähmatten zwecks mechanischer Stabilisierung. Als Zwischenlagen werden insbesondere Lochbleche oder Siebe eingesetzt.
Die Zwischenlagen weisen insbesondere eine Dicke zwischen 0,3 und 1 mm auf.
Die Zwischenlagen weisen insbesondere ein Öffnungsverhältnis von ca. 25 bis 50 % auf.
Als Werkstoff für die Zwischenlagen wird bevorzugt Edelstahl oder Aluminium eingesetzt.
Die Zwischenlagen sind bevorzugt aus verformbarem Material, insbesondere aus Metall gebildet, so dass sich durch Verformung derselben unterschiedliche gewünschte Formen stabil erzeugen lassen.
Das mehrlagige Verbundmaterial, umfassend zwei oder mehrere Blähmatten mit Zwischenlagen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Blähmatten, wird in analoger Weise wie die einzelne Blähmatte mit einer Kunststofffolie allseitig umhüllt und vakuumiert.
Das mehrlagige Verbundmaterial eignet sich insbesondere für Anwendungszwecke, für die die mechanische Stabilität des Materials eine größere Rolle spielt, beispielsweise zum Abdichten von parallelepipedischen Bauteilen in zylindrischen Reaktoren.
Besonders vorteilhaft ist auch der Einsatz in Bereichen, in denen der Brandschutz eine wichtige Rolle spielt, beispielsweise für Kaminabdichtungen oder Abdichtungen von Zu- und Abströmleitungen für Brennkammern, insbesondere von großen Verbrennungsmotoren oder in Vorrichtungen zur Abgasreinigung.
Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Abdichtungsmaterials ist eine einfache Verbindung von Rohren mit einem anderen Bauteil, beispielweise mit Wänden oder Decken in Gebäuden, oder auch von Bauteilen von Brennkammern, insbesondere von Verbrennungsmotoren möglich: Die zu verbindenden Bauteile werden lediglich zusammengesteckt und die Hohlräume dazwischen mit erfindungsgemäßem Abdichtungsmaterial ausfüllt. Bei Temperaturerhöhung, beispielsweise infolge eines Brandes, schmilzt die Kunststofffolie, das darin eingeschlossene Material dehnt sich aus und gewährleistet dabei eine zuverlässige Abdichtung. Dadurch wird ein aktiver Brandschutz gewährleistet. Eine Verschweißung der Bauteile ist nicht erforderlich.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Materials in einem zylindrischen Reaktor zur Herstellung von Salpetersäure durch katalytische Ammoniakverbrennung an einem Platin-Netz, das auf einer Katalysatorschüttung zur Abreicherung des Reaktionsgasgemisches an Lachgas aufliegt, wobei die Katalysatorschüttung in einem Katalysatorkorb eingebracht ist, der konzentrisch, unter Freilassung eines Ringspaltes, im Reaktorinnenraum angeordnet ist, und wobei das Material zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen dem Katalysatorkorb und der äußeren Begrenzung des Ringspaltes angeordnet ist.
Die äußere Begrenzung des Ringspaltes kann eine metallische Schürze sein.
In einer anderen Ausführungsform ist die äußere Begrenzung des Ringspaltes die Reaktorinnenwand.
Da der Ringspalt zwischen dem Katalysatorkorb und der äußeren Begrenzung desselben, insbesondere in der metallischen Schürze oder in der Reaktorinnenwand, häufig unterschiedlich breit ist, in der Regel zwischen 15 und 50 mm, legt man zum Ausfüllen desselben bevorzugt mehrere Blähmatten übereinander, mit oder ohne Versatz.
Weiter bevorzugt können Blähmatten mit unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden, insbesondere können zunächst nicht vakuumierte und anschließend vakuumierte Blähmatten in den Ringspalt eingeschoben werden.
Durch den Einbau von Blähmatten konnten für einen Reaktor zur großtechnischen Herstellung von Salpetersäure mit einer Kapazität von 100000 Jahrestonnen die Emissionen an klimaschädlichem Lachgas um 30 % reduziert werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Materials zur thermischen Isolierung der Außenwand eines Rohres, in dem ein Brenner angeordnet ist, wobei das Material vorzugsweise auf die Außenwand eines Hilfsrohres mit kleinerem Durchmesser als das zu isolierende Rohr aufgebracht wird, das in das zu isolierende Rohr eingeschoben wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Materials in einem Hordenkontaktofen zur Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid an einem Vanadiumpentoxid enthaltenden Katalysator, der in zwei, drei, vier oder mehreren übereinander angeordneten Horden eingebracht ist, mit einer Zwischenkühlung zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Horden, wobei das Material zur Abdichtung des Zwischenraumes zwischen der äußeren Begrenzung der Horden und der Innenwand des Hordenkontaktofens eingesetzt wird.
Die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid ist ein wesentlicher Zwischenschritt in der Herstellung von Schwefelsäure; hierfür wird heutzutage ausschließlich das Kontaktverfahren verwendet, wobei Vanadiumpentoxid als Sauerstoff übertragender Katalysator eingesetzt wird. Durch die erfindungsgemäße Abdichtung der Katalysator beinhaltenden Horden gegenüber der Reaktorinnenwand wird ein Bypass des Schwefeldioxids verhindert, so dass eine erhöhte Ausbeute gewährleistet wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
In
Die schematische Darstellung in
Die
Monolithe austreten kann, und dieselben nicht durch das Auflagesieb 10 verschlossen werden.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.